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A Hist´oria da Computac¸ ˜ao: Das M´aquinas de
Calcular aos Computadores Quˆanticos
Caike Crepaldi^1 , Leonardo V. Costa^1 e Anderson A. Escobal^1
1 Instituto de F´ısica da Universidade de S˜ao Paulo, IF-USP
09 de julho de 2017
Resumo Neste texto falamos um pouco sobre a Hist oria da Computa´ c¸ ˜ao, desde seus prim ´ordios at ´e o desenvolvimento dos computadores quˆanticos.
1 Introduc¸ ˜ao
Hoje os computadores s ˜ao ferramentas indispens aveis para o desenvol-´ vimento do mundo moderno e da ci encia. Embora sejam de uso recente,ˆ sua hist oria remonta a tempos antigos que v´ ao desde as ferramentas de˜ c alculo, passando pela revolu´ c¸ ˜ao industrial e suas tentativas de se criar computadores mec ˆanicos, at e chegar´ a forma dos computadores eletr` onicosˆ conhecida hoje.
Figura 1: A primeira calculadora usada pelo homem: O ´Abaco.
Atrav es das eras, o ser humano criou diversas ferramentas que faci-´ litassem o c alculo de quantidades. Nos prim´ ordios usavam-se os dedos´ das m ˜aos para efetuar esses c ´alculos, mas com o tempo outras ferramentas foram criadas para servir a esse prop osito. Uma dessas ferramentas, e a´ mais antiga, foi o ´abaco (figura 1), inventado por volta de 2700-2300 AC na Mesopotˆamia. Na sua vers ao original, usavam-se rochas para desenhar linhas na areia.˜ A vers ao mais antiga e pr˜ oxima da que conhecemos foi desenvolvida na´ China no s ´eculo V AC. O ´abaco chin es era conhecido como suanpanˆ (pinyin: su `anp ´an), retratado na figura 1. Muito tempo depois, os romanos desenvolveram sua pr opria vers´ ˜ao do ´abaco, que consistia de bolinhas de m´armore que deslizavam numa placa de bronze cheia de sulcos.
Figura 2: Os Ossos de Napier.
Outro exemplo de ferramenta de calcular seria a criada por John Napier (1550-1617), inventor dos logaritmos, chamada de “os ossos de Napier” (figura 2), que eram tabelas de multiplica c¸ ˜ao gravadas em bast ˜ao, o que evitava a memorizac¸ ˜ao da tabuada.
O m etodo foi baseado na matem´ ´atica arabe e na estrutura de multiplica´ c¸ ˜ao usada por Matrakci Nasuh no Hisab Umdet-ul e nos trabalhos de Fibonacci no seu Liber Abaci. Usando as tabelas de multiplica c¸ ˜ao incorporadas nas hastes, a multiplica c¸ ˜ao e a divis ˜ao podem ser reduzidas a operac¸ ˜oes de adic¸ ˜ao e subtrac¸ ˜ao.
2 As primeiras calculadoras Figura 3: A m´aquina de Schikard. Ap os um verdadeiro salto de sofistica´ c¸ ˜ao, a primeira m ´aquina de ver- dade foi constru´ıda por Wilhelm Schickard (1592-1635), sendo capaz de somar, subtrair, multiplicar e dividir (figura 3). Essa m ´aquina foi perdida durante a Guerra dos Trinta Anos (1618-1648), sendo que s ´o recentemente foi encontrada alguma documentac¸ ˜ao sobre ela. Antes disso atribu´ıa-se a Blaise Pascal (1623-1662) a construc¸ ˜ao da primeira m aquina calculadora,´ que fazia apenas somas e subtrac¸ ˜oes, uma vez que as informac¸ ˜oes sobre a m´aquina de Schikard s˜ao controversas. A calculadora criada por Pascal foi nomeada de La Pascaline (figura^ Figura 4: La Pascaline. 4). O objetivo de seu criador era auxiliar o pai em c ´alculos avanc¸ ados, uma vez que este era um contador. A m aquina funcionava a partir de giros,´ quando movida no sentido hor ario a m´ ´aquina realizava uma soma, quando movimentada no sentido anti-hor ario realizava subtra´ c¸ ˜oes. Os valores utilizados nestas operac¸ ˜oes eram armazenados em outras engrenagens.
Figura 5: M´aquina de Leibniz.
Posteriormente Gottfried Wilheim Leibniz, motivado pelos complica- dos c alculos astron´ omicos daˆ epoca, aperfei´ c¸ oou o mecanismo criado por Pascal. Seu objetivo era tornar mais intuitivo o uso desta m ´aquina (figura 5), assim como facilitar operac¸ ˜oes repetitivas, melhorando por sua vez o c´alculo de multiplicac¸ ˜oes e divis˜oes.
Figura 6: O Aritm ˆometro de Charles Xavier.
Entre os diversos modelos de calculadoras desenvolvidos, o mais bem sucedido comercialmente foi o Aritm ometro (figura 6), desenvolvida porˆ Charles Xavier Thomas de Colmar. A m ´aquina foi patenteada em 1820, mas seu sucesso comercial se deu somente em 1851. A m aquina passou´ por diversas modificac¸ ˜oes ao longo de sua hist´oria, seu designer robusto e pr´atica a tornou bem popular durante o s´eculo XIX.
m aquina diferencial e posteriormente trabalhou no desenvolvimento da´ m´aquina anal´ıtica. A m aquina diferencial de Babbage consistia em uma m´ ´aquina capaz de calcular polin omios, mas seu design completo nˆ ao foi conclu˜ ´ıdo na epoca,´ embora exista hoje uma reproduc¸ ˜ao funcional desta mesma m aquina no´ Museu de Ciˆencias de Londres (figura 8). Filha de Lorde Byron e da Baronessa de Wentworth, Ada Augusta Byron King, conhecida como Ada Lovelace, foi uma matem ´atica e escritora inglesa do s ´eculo XIX. Ada foi a ´unica filha leg´ıtima de Lorde Byron que a abandonou em seus primeiros meses de vida. Ada foi pressionada a estudar matem ´atica e l ogica por sua m´ ae, pois ela temia que a filha apresentasse˜ o comportamento exc entrico de Lorde Byron. Ada mostrou desempenhoˆ excepcional nestas areas. Foi quando ainda jovem, aos seus dezessete anos´ de idade, que conheceu Charles Babbage e com ele suas ideias inusitadas para a ´epoca que a encantaram desde o comec¸o.
Figura 9: Ada Augusta Byron King, Condessa de Lovelace (1815-1852).
Ada Lovelace e Charles Babbage trocaram diversas correspond ˆencias ao longo do tempo a respeito da m aquina anal´ ´ıtica. Embora as adversidades da vida os tenha afastado do projeto da m ´aquina em diversos momen- tos. Charles Babbage teve muitos problemas em arrecadar fundos para a constru c¸ ˜ao de seu engenho, o governo brit anico recusava financiar umˆ projeto extremamente custoso e de utilidade duvidosa, ´e especulado que caso a m aquina tivesse sido realmente constru´ ´ıda em sua totalidade ela teria o tamanho equivalente a um trem. Ada estudou muito ao longo de sua vida, com alguns de seus tutores indicados pelo pr oprio Babbage, mas problemas´ de sa ude e deveres dom´ esticos a fizeram pausar seus trabalhos e estudos´ em diversos momentos. Por volta de 1842 Ada Lovelace traduziu uma publicac¸ ˜ao de Luigi Menabrea: Sketch of the Analytical Engine Invented by Charles Babbage. Al ´em da tradu c¸ ˜ao, Ada Lovelace acrescentou diversas notas a respeito do trabalho, entre elas havia um algor´ıtimo para computador os n umeros de´ Bernoulli na m aquina anal´ ´ıtica. Este feito deu a Ada o t´ıtulo de primeira programadora da hist´oria.
Babbage & I are I think more friends than ever. I have never seen him so agreeable, so reasonable, or in such good spirits!
Ada Lovelace, carta para sua m˜ae, 1843.
Ap os a publica´ c¸ ˜ao de suas notas, Ada Lovelace trocou cartas com Charles Babbage para que ambos pudesse impulsionar o desenvolvimento da m ´aquina anal´ıtica, os preparativos estavam caminhando bem, mas Ada Lovelace adoeceu e acabou falecendo ainda jovem aos 36 anos de idade.
Infelizmente a m ´aquina jamais foi constru´ıda. Os esfor c¸ os realizados em seu desenvolvimento foram essenciais para o desenvolvimento dos primeiros computadores.
3.3 Os cart˜oes perfurados de Hollerith
Figura 10: Herman Hollerith (1860- 1929).
Herman Hollerith foi um empres ario norte americano desenvolvedor´ de um sistema capaz de computar dados a partir da leitura de cart oes˜ perfurados. Em seu tempo, o c alculo do censo levava anos, por exemplo,´ o censo de 1880 levou oito anos para ser calculado. Encurtar o tempo de c alculo do censo era essencial, uma vez que os investimentos p´ ublicos´ de um pa´ıs dependiam destes dados. Em vista deste problema, Herman Hollerith cria uma m aquina capaz de computar as informa´ c¸ ˜oes coletadas durante o censo de 1890 a partir de cart oes perfurados, diminuindo assim˜ o tempo de c ´alculo para apenas dois anos e meio. Suas m ´aquinas se tornariam um grande sucesso nos anos seguintes, elas seriam vendidas tanto para governos quanto para a inciativa privada. Posteriormente, Herman fundaria junto a outros dois homens a IBM, uma das maiores empresas de computac¸ ˜ao do mundo.
3.4 Z1 - O primeiro computador
There is a replica of this Model in the Museum of Traffic and Technology in Berlin. Back then it didn’t function well, and in that regard the replica is very reliable – it also doesn’t work well.
Konrad Zuse, Hans Dieter Hellige: Geschichten der Informatik - Visionen, Paradigmen, Leitmotive.
Conclu´ıdo em 1938, O Z1, criado por Konrad Zuse, ´e um computador eletromec anico importante pois representa um marco histˆ orico j´ a que´ ´e con- siderado a primeira m aquina bin´ ´aria program ´avel do mundo. Infelizmente este computador n ao era muito confi˜ avel, fato reconhecido at´ e mesmo por´ seu criador.
4 A ascens˜ao da computac¸ ˜ao
4.1 Turing e sua m´aquina
Depois de concluir seu o mestrado em King’s College (1935) e receber o Smith’s prize (1936), o matem atico brit´ anico Alan Mathison Turing seˆ
4.3 John Von Neumann
O brilhante matem ´atico h ungaro, John Von Neumann fez importantes´ contribuic¸ ˜oes em diversos campos da ci encias. Neumann sendo de famˆ ´ılia judia, foi for c¸ ado a emigrar para os Estados Unidos na epoca do regime´ nazista alem ao, sendo convidado para fazer parte do Institute for Advanced˜ Study de Princeton junto com outros grandes nomes como Albert Eins- tein, Enrico Fermi e outros. Fez parte do Projeto Manhattan,onde fazia simulac¸ ˜oes de modelo hidrodin amicos no INIAC, seus estudos colaboraramˆ com o aperfeic¸oamento do m´etodo de Monte Calor. Figura 13:(1903-1957).^ John Von Neumann Neumann tamb ´em foi consultor da Moore School of Electrical Engi- neering no projeto EDVAC, o computador bin ario substituto do ENIAC,´ onde escreveu um artigo incompleto intitulado “First Draft of a Report on the EDVAC” no qual prop os uma estrutura fixa e simples para o computa-ˆ dor onde os dados e o programa seriam armazenados no mesmo local da memoria, essa arquitetura tornava o EDVAC muito mais rapido que seus antecessores. Esse conceito ´e emprego at´e hoje na fabricac¸ ˜ao de computa- dores sendo conhecido como arquitetura de Von Neumann. Em !930 Turing visita Princenton, onde junto com Neumann trabalharam na filosofia da inteligencia artificial.
5 A era atual
5.1 Bill Gates e a janela
Projetado em 1975, o Altair 8800 seria um dos primeiros computadores pessoais dispon´ıveis no mercado. Inicialmente se tratava apenas de um kit b asico da revista norte americana Popular Electronics, mas acabou se´ popularizando bem r apido vendendo muito mais que o esperado. Muitos en-´ tusiastas que se aventuravam nas novidades da computac¸ ˜ao daquele per´ıodo tiveram contato com esta m ´aquina, entre eles estavam Bill Gates e Paul Allen que desenvolveram para esta linha de computadores um interpretador, conhecido como Altair Basic. Figura 14: Altair 8800.
Figura 15: Bill Gates e Paul Allen, os fundadores da Microsoft.
O Altair Basic foi o primeiro produto da rec ´em-fundada Microsoft. N ao˜ demorou muito para que lan c¸ assem novos produtos, como por exemplo, o MS-DOS, al em de parcerias com grandes empresas, como a IBM. A´ popularizac¸ ˜ao dos computadores iria revolucionar a maneira em que eles eram vistos, uma vez que estas m aquinas s´ o eram usadas em´ ´areas bem espec´ıficas, como universidades e grandes empresas. Essa nova onda da computac¸ ˜ao tornaria a Microsoft uma das empresas mais lucrativas dos ultimos anos, assim como transformaria os computadores em ferramentais´ comuns do dia a dia.
5.2 Steve Jobs e a mac¸ ˜a
A populariza c¸ ˜ao dos computadores n ˜ao foi alavancada exclusivamente pela Microsoft. Diversas empresas tentaram ao longo do tempo adquirir seu lugar neste mercado de nicho. Uma delas foi a Apple, fundada por Steven Jobs e Steven Wozniak. O grande papel da Apple no cen ario da´ popularizac¸ ˜ao da computac¸ ˜ao foi tornar esta ferramenta mais simp atica´ ao usu ario com um design diferente e com grandes melhorias gr´ ´aficas para a epoca. Atualmente a Apple´ ´e uma das empresas mais not orias e´ rent aveis do mundo, lan´ c¸ ando diversos produtos ao longo do tempo, desde computadores pessoais e smartphones.
Figura 16: Steven Jobs e Steven Wozniak, os fundadores da Apple.
5.3 Linus Torvalds e o penguim
Uma das grandes figuras que defendem o Software Livre, Linus Be- nedict Torvalds, nascido na Finl andia, Helsˆ ´ınquia, em 28 de dezembro de 1969, foi o criador do Linux, kernel do sistema operacional GNU/Linux, do Android e do Chrome OS. Ele tamb ´em ´e o respons ´avel pela criac¸ ˜ao da ferramenta Git, um sistema de controle de vers ao (VCS) muito popular e˜ ainda usado atualmente.
Figura 17: Linus Benedict Torvalds, o criador do Linux.
6 O que o futuro nos reserva
Figura 18: O computador qu anticoˆ mais desenvolvido atualmente, o D- Wave 2000Q.
Hoje, grac¸ as aos avanc¸ os proporcionados pela Teoria Qu antica, te-ˆ mos em desenvolvimento os computadores qu ˆanticos, que utilizam esta- dos qu anticos ao invˆ es de cl´ assicos. Dessa maneira, nos computadores´ qu anticos o bitˆ e substitu´ ´ıdo pelo bit qu ˆantico (conhecido como q-bit ou qubit) que o usa para executar c ´alculos fazendo uso direto de propriedades da mecˆanica quˆantica como sobreposic¸ ˜ao e interferˆencia. Uma das principais vantagens do computador qu ˆantico seria poder realizar c alculos e resolver algoritmos num tempo muito mais eficiente´ que o levado para resolver esses mesmos algoritmos em um computador cl´assico. Um exemplo seria a fatorac¸ ˜ao em primos de n´umeros naturais. Atualmente, o computador qu ˆantico mais desenvolvido ´e o D-Wave 2000Q, que trabalha com 2048 qubits. Apesar de seu desenvolvimento promissor, os computadores qu anticos possuem sua prˆ ´opria problem atica.´ Al ´em de operarem a temperaturas baix´ıssimas (0.02K) e a necessidade de possuir um computador auxiliar, o desenvolvimento dessas m ´aquinas esta atrelada ao tratamento de erros ocorridos pela leitura das sobreposi c¸ ˜oes dos qubits. Conseguiremos superar as limitac¸ ˜oes da computa c¸ ˜ao qu antica e desen-ˆ volver computadores pessoais e de uso geral com as vantagens que os qubits apresentam? Isso s o o futuro poder´ a responder, por enquanto os compu-´
[9] Wikipedia, the free encyclopedia. History of computing. Acessado em 30 de jun. de 2017. URL: https://en.wikipedia.org/ wiki/History_of_computing.
